奚彩蓮 林孟群

摘 要：無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)作為一種新興的攝像技術(shù)，以其應(yīng)用靈活、便捷高效等特點(diǎn)，正在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛運(yùn)用。在體育競(jìng)技中，無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)尚未得到應(yīng)用，然而它對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡、理論研究等提出的積極意義，為以后的研究指出了方向。文章基于長(zhǎng)繩跑繩運(yùn)動(dòng)，運(yùn)用航拍技術(shù)拍攝了隊(duì)員跑繩運(yùn)動(dòng)軌跡，通過(guò)專(zhuān)業(yè)的視頻分析軟件分析了隊(duì)員的跑繩軌跡及關(guān)鍵點(diǎn)，提出訓(xùn)練方案，應(yīng)用在長(zhǎng)繩訓(xùn)練當(dāng)中。無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)在體育中競(jìng)技具有良好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：航拍技術(shù)；自動(dòng)控制；軟件工程；長(zhǎng)繩跑繩；數(shù)據(jù)采集

隨著跳繩運(yùn)動(dòng)日益興起，長(zhǎng)繩跑繩作為跳繩運(yùn)動(dòng)的一種，受到廣泛的關(guān)注。在各大高校中，如何提高長(zhǎng)繩隊(duì)的成績(jī)一直是一個(gè)廣受熱議的話(huà)題。因此，得到長(zhǎng)繩隊(duì)隊(duì)員的運(yùn)動(dòng)形態(tài)以及整個(gè)隊(duì)伍的運(yùn)動(dòng)軌跡，成為研究如何提高成績(jī)的基礎(chǔ)和前提。此外，在拍攝隊(duì)員跑繩軌跡的過(guò)程中，如何垂直精確地描繪出跑繩路徑、采集到相應(yīng)數(shù)據(jù)對(duì)于實(shí)驗(yàn)過(guò)程具有重要意義，而這些數(shù)據(jù)往往由于比例尺、空間結(jié)構(gòu)等因素難以采集，尋常采集方法容易導(dǎo)致誤差過(guò)大，并且采集成本較高[1]。

無(wú)人機(jī)低空航拍遙感系統(tǒng)作為一項(xiàng)空間數(shù)據(jù)獲取的重要手段，具有成本低、機(jī)動(dòng)靈活、影像實(shí)時(shí)傳輸、高危地區(qū)探測(cè)等特點(diǎn)，是高分辨率遙感數(shù)據(jù)獲取的重要工具之一。隨著無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)的迅速發(fā)展，該技術(shù)己成為國(guó)內(nèi)外研究開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)，并在眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在長(zhǎng)繩跑繩的研究中，無(wú)人機(jī)低空航拍占有重要優(yōu)勢(shì)[2]。

而到目前為止，無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)還未在體育競(jìng)技研究方面得到應(yīng)用。對(duì)于研究長(zhǎng)繩隊(duì)整體的運(yùn)動(dòng)軌跡以及單個(gè)隊(duì)員在各個(gè)時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)形態(tài)，無(wú)人機(jī)搭載高分辨率攝像、攝影設(shè)備進(jìn)行航拍的方法都提供了有效的途徑。特別是對(duì)于整體軌跡的研究，無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)的研究大大提高了研究的效率，減小誤差。并且通過(guò)航拍軟件的應(yīng)用，可以得到無(wú)人機(jī)航拍器的實(shí)時(shí)位置信息[3-4]。

1 研究對(duì)象和方法

1.1研究對(duì)象

華北電力大學(xué)長(zhǎng)繩隊(duì)隊(duì)員的跑繩技術(shù)。

1.2研究方法

1.2.1無(wú)人機(jī)航拍飛行技術(shù)

運(yùn)用無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)可以從俯拍到長(zhǎng)繩隊(duì)隊(duì)員跑繩的全過(guò)程，通過(guò)分析錄像可以較精準(zhǔn)地得到隊(duì)員們的跑繩路徑及關(guān)鍵點(diǎn)。

1.2.2文獻(xiàn)資料法

閱讀、收集、整理有關(guān)航拍、數(shù)據(jù)分析方面的文獻(xiàn)，為我們的實(shí)驗(yàn)提供理論基礎(chǔ)。

1.2.3數(shù)理統(tǒng)計(jì)法

借助MATLAB 8.3和SPSS 19.0軟件，對(duì)運(yùn)動(dòng)影像視頻分析獲得的數(shù)據(jù)利用概率分布及統(tǒng)計(jì)分析法確定起跳、落地點(diǎn)的位置。

2研究過(guò)程

2.1對(duì)小型航拍無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的研究

2.1.1航拍無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的組成

航拍無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的組成如圖1所示。

（l）載機(jī)平臺(tái)。載機(jī)平臺(tái)可以選擇四旋翼無(wú)人機(jī)。相對(duì)于直升機(jī)飛行器，多旋翼飛行器具有機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便、穩(wěn)定性高、噪聲小等優(yōu)點(diǎn)。長(zhǎng)繩跑繩是一種在多數(shù)情況下于室內(nèi)進(jìn)行的運(yùn)動(dòng)，因此，采用簡(jiǎn)單得多（四）旋翼無(wú)人機(jī)是較為合適的選擇。

（2）飛行控制系統(tǒng)。飛行控制系統(tǒng)由飛行控制器、姿態(tài)傳感器和GPS定位系統(tǒng)組成，可實(shí)現(xiàn)飛行器姿態(tài)、航向、高度等參數(shù)的自動(dòng)控制。在長(zhǎng)繩跑繩的研究過(guò)程中，為了采集到整隊(duì)的運(yùn)動(dòng)軌跡，需要從空中俯拍。

（3）云臺(tái)攝像系統(tǒng)。為保證在安全距離下可以拍攝到清晰的圖像資料，采用高精度數(shù)字增穩(wěn)云臺(tái)，為攝影、攝像設(shè)備提供穩(wěn)定的拍攝平臺(tái)。

由于實(shí)驗(yàn)基本在室內(nèi)，因此受到外力影像因素較小，對(duì)于增穩(wěn)系統(tǒng)的要求較低。但同時(shí)由于本身實(shí)驗(yàn)的范圍較小，數(shù)據(jù)精度要求較高，對(duì)于搭載的攝像系統(tǒng)的像素及分辨率有一定的要求。此外，在考慮到室內(nèi)光線(xiàn)問(wèn)題的情況下，對(duì)于攝像系統(tǒng)的平角和廣角有一定的選擇。

（4）圖像傳輸系統(tǒng)。地面操作人員可以利用藍(lán)牙回傳的實(shí)時(shí)畫(huà)面，對(duì)采集到的影像、數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)的調(diào)整，保證采集到的影像清晰，數(shù)據(jù)有效。

2.1.2航拍器的選擇

在長(zhǎng)繩跑繩運(yùn)動(dòng)中，整個(gè)隊(duì)伍的跑動(dòng)軌跡、實(shí)時(shí)隊(duì)伍所處的位置和單個(gè)隊(duì)員的位置都難以測(cè)繪，尤其由于空間視角改變引起比例尺的變化，更加增大測(cè)繪的難度。而航拍飛行器經(jīng)地面操作人員控制，可以直接位于長(zhǎng)繩靜止時(shí)中點(diǎn)的正上方，并且不影響其日常訓(xùn)練。此外，在拍攝過(guò)程中，往往由于一些實(shí)際因素，航拍器在自動(dòng)控制調(diào)節(jié)的同時(shí)，操作人員也可以根據(jù)傳回的實(shí)時(shí)圖像，通過(guò)手動(dòng)操作使飛行器達(dá)到合適的范圍區(qū)間內(nèi)。

我們本次實(shí)驗(yàn)采用的航拍器為大疆4，應(yīng)用的航拍軟件為DJI GO。

2.2對(duì)長(zhǎng)繩跑繩技術(shù)的研究

本次實(shí)驗(yàn)基于對(duì)航拍器的使用研究長(zhǎng)繩跑繩運(yùn)動(dòng)。首先利用航拍器對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行研究，利用自動(dòng)控制原理和模糊影像分析技術(shù)，分析圖像各因素的權(quán)重，利用關(guān)系公式使航拍器達(dá)到最佳高度。在調(diào)到最佳位置之后，利用航拍記錄實(shí)時(shí)影像（運(yùn)動(dòng)員軌跡）并存儲(chǔ)。拍攝完成之后，通過(guò)數(shù)據(jù)分析，得出最佳的軌跡，并描繪出相應(yīng)的點(diǎn)做成輔助練習(xí)器，運(yùn)用到平常訓(xùn)練之中。經(jīng)過(guò)一個(gè)訓(xùn)練周期以后，再次運(yùn)用航拍，測(cè)出現(xiàn)在的實(shí)時(shí)影像，并與此周期以前采集的數(shù)據(jù)相對(duì)比，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。實(shí)驗(yàn)流程如圖2所示。

2.2.1進(jìn)行航拍，得到首次采集的圖像

航拍軌跡示意如圖3所示，航拍器飛行位置示意如圖4所示，此時(shí)飛行器處于中心點(diǎn)的正上方，并清晰地得出了一個(gè)較為整齊的類(lèi)似“∞?！毙螤畹倪\(yùn)動(dòng)軌跡。通過(guò)DJI GO的記錄可知，此時(shí)飛行器距離地面高度為9.00 m。

為了使拍攝效果清晰，根據(jù)對(duì)稱(chēng)原理，航拍器的位置應(yīng)正好位于長(zhǎng)繩跑繩的中央，如圖3所示。而飛行器的高度，則需要根據(jù)目標(biāo)大小實(shí)現(xiàn)自我調(diào)節(jié)控制。

2.2.2對(duì)于圖像進(jìn)行模糊識(shí)別

將采集到的圖像進(jìn)行模糊識(shí)別，并手動(dòng)確定我們需要的部分（本實(shí)驗(yàn)中以軌跡的長(zhǎng)度作為衡量的首要因素），得出我們所需要的占空比（需要圖形占整個(gè)空間的比例）等有關(guān)因素。這些有關(guān)因素將直接影響飛行器的高度和位置。

2.2.3代入關(guān)系公式，得出控制數(shù)據(jù)

根據(jù)抽象的幾何圖形進(jìn)行適當(dāng)建模，利用高度和視野大小的關(guān)系公式，考慮帶來(lái)的誤差，并計(jì)算權(quán)重。由抽象模型可得，高度（h）與占空比（t）的關(guān)系：h=b·t（6為航拍器攝像系統(tǒng)的自帶系數(shù)）。

根據(jù)示意圖所示，應(yīng)有6個(gè)主要的影響角度。則[Sk，Sk]表示第k個(gè)角度的評(píng)判區(qū)間，則6個(gè)角度給出的評(píng)判區(qū)間構(gòu)成了集值統(tǒng)計(jì)序列。根據(jù)各個(gè)角度的位置，以及影響大小，我們定義出各個(gè)角的權(quán)重系數(shù)h^（k=l，2，…，6），則加入權(quán)重系數(shù)后的評(píng)價(jià)指標(biāo)為：

2.2.4利用相關(guān)數(shù)據(jù)，調(diào)整航拍器高度和視野

通過(guò)對(duì)影像數(shù)據(jù)的整理，我們得到目前的所有相關(guān)數(shù)據(jù)；通過(guò)對(duì)關(guān)系公式和權(quán)重的計(jì)算，得到控制數(shù)據(jù)。將兩個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，得出飛行器應(yīng)該調(diào)整的高度為8.90m。

2.2.5利用得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行航拍

根據(jù)我們算出的數(shù)據(jù)，再次進(jìn)行航拍。長(zhǎng)繩隊(duì)隊(duì)員進(jìn)行3 min的計(jì)時(shí)跑繩，我們控制無(wú)人機(jī)在長(zhǎng)繩中心點(diǎn)上方、距地面9.00 m的位置靜止，運(yùn)用DJI GO軟件，我們可以通過(guò)手機(jī)查看飛行器相機(jī)的實(shí)時(shí)畫(huà)面并錄制視頻，同時(shí)實(shí)時(shí)查看相機(jī)參數(shù)，以進(jìn)行航拍器位置的微調(diào)。

2.2.6分析視頻，得到最佳路徑及關(guān)鍵點(diǎn)

我們運(yùn)用專(zhuān)業(yè)的視頻分析軟件coach- eye來(lái)分析錄制的航拍視頻。首先選取了速度較快且動(dòng)作標(biāo)準(zhǔn)的5次進(jìn)繩出繩動(dòng)作，在圖中標(biāo)記了他們的起跳點(diǎn)落地點(diǎn)及跑繩路徑，如圖5-6所示。之后我們運(yùn)用視頻分析軟件，建立了平面直角坐標(biāo)系，確定比例尺（由于比賽規(guī)定兩搖繩者之間距離不能小于3.6 m，故在隊(duì)員訓(xùn)練時(shí)兩搖繩者之間的距離始終固定為3.6 m），進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

得到多組路徑及關(guān)鍵點(diǎn)之后，我們算出了平均值，即可以提高跑繩速度的最佳的數(shù)據(jù)，如表l所示。數(shù)據(jù)在軌跡圖中的體現(xiàn)如圖7所示。

2.2.7將最佳數(shù)據(jù)運(yùn)用到隊(duì)員日常訓(xùn)練中

我們將得出的數(shù)據(jù)應(yīng)用到長(zhǎng)繩隊(duì)新隊(duì)員的訓(xùn)練當(dāng)中，規(guī)范他們的動(dòng)作，并根據(jù)隊(duì)員的反饋微調(diào)了我們的數(shù)據(jù)。隊(duì)員訓(xùn)練頻率為每周3次，每次一小時(shí)。我們記錄了新隊(duì)員在整個(gè)訓(xùn)練周期內(nèi)的長(zhǎng)繩個(gè)數(shù)，如圖8所示。

從圖中曲線(xiàn)走勢(shì)可以看出，新隊(duì)員的跑繩水平有了明顯的提高。

2.2.8將再次航拍所得數(shù)據(jù)與最佳數(shù)據(jù)比對(duì)

訓(xùn)練兩個(gè)月之后，我們?cè)俅芜M(jìn)行航拍，來(lái)驗(yàn)證新隊(duì)員通過(guò)規(guī)范了技術(shù)動(dòng)作而達(dá)到了提高跑繩技術(shù)的目的。長(zhǎng)繩隊(duì)隊(duì)員仍然進(jìn)行3 min的計(jì)時(shí)跑繩，我們控制無(wú)人機(jī)并錄制視頻，同時(shí)實(shí)時(shí)查看相機(jī)參數(shù)，以進(jìn)行航拍器位置的微調(diào)。

通過(guò)coach- eye視頻軟件分析后，結(jié)果如圖9-10所示。建坐標(biāo)系分析后，兩次所得數(shù)據(jù)如表2所示。

對(duì)跑繩運(yùn)動(dòng)中的di設(shè)置條件閾值D，xi設(shè)置條件閾值為X，通過(guò)歷史經(jīng)驗(yàn)分析得出D=1.31，X=5.32；在本次試驗(yàn)中，差值明顯在閾值的范圍之內(nèi)，故可以得出跳繩隊(duì)員的軌跡已經(jīng)趨近于最佳狀態(tài)。

3結(jié)語(yǔ)

在實(shí)驗(yàn)中，我們通過(guò)航拍得到優(yōu)秀隊(duì)員的跑繩路徑及關(guān)鍵點(diǎn)的數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)應(yīng)用在輔助練習(xí)器上以規(guī)范長(zhǎng)繩隊(duì)隊(duì)員的動(dòng)作。但是這種方法雖然有效，卻不能直觀(guān)地使隊(duì)員發(fā)現(xiàn)他們動(dòng)作上的不足。

理想狀態(tài)下，我們可以進(jìn)行運(yùn)動(dòng)技術(shù)診斷的方法。長(zhǎng)繩隊(duì)日常訓(xùn)練時(shí)，可使用航拍器錄制視頻，并有軟件自動(dòng)分析，若發(fā)現(xiàn)隊(duì)員沒(méi)有踩到標(biāo)準(zhǔn)的起跳點(diǎn)落地點(diǎn)，或是實(shí)時(shí)路徑與標(biāo)準(zhǔn)路徑相距過(guò)大時(shí)，便發(fā)出警報(bào)。隊(duì)員可回看視頻，找出動(dòng)作缺陷。也可以單獨(dú)測(cè)評(píng)一名隊(duì)員的動(dòng)作，對(duì)其進(jìn)行打分，幫助隊(duì)員改善動(dòng)作。

此外，在未來(lái)無(wú)人機(jī)技術(shù)的發(fā)展中，可以運(yùn)用多個(gè)無(wú)人機(jī)組成一套測(cè)量攝像體系，從而精準(zhǔn)地得出目標(biāo)對(duì)象的三維運(yùn)動(dòng)圖像，為研究目標(biāo)對(duì)象的運(yùn)動(dòng)方式、姿態(tài)，提供更精準(zhǔn)的依據(jù)。

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